Wasser

Wir trinken es, wir baden darin, wir spülen es die Toilette hinunter: Wasser ist für uns alltäglich. Gar nicht alltäglich sind allerdings die Eigenschaften des nassen Elements. Mehr als 80 Anomalien – also Fälle, in denen Wasser scheinbar die Gesetze von Physik und Chemie sprengt – haben Wissenschaftler bereits entdeckt. Und es werden immer mehr: Gerade erst ist die vielleicht verrückteste Substanz der Natur dadurch aufgefallen, dass sie tief unterhalb des Gefrierpunkts plötzlich flüssig werden kann. Solche Eigenschaften sind weit mehr als ein Kuriositätenkabinett. Ohne sie wäre Leben, wie wir es kennen, schlichtweg nicht möglich.

1. Klammergriff

Eigentlich dürfte flüssiges Wasser überhaupt nicht existieren – zumindest nicht bei Raumtemperatur. Seine beiden Bestandteile, Wasserstoff und Sauerstoff, sind so leicht, dass sie auch in ihrer verbundenden Form gasförmig sein müssten. Für den Menschen, dessen Körper zu zwei Dritteln aus Wasser besteht, wäre das äußerst unangenehm. Zum Glück haben die Wassermoleküle, einmal als Figur dargestellt, eine ganz besondere Struktur: Ihr Oberkörper besteht aus einem massiven Sauerstoffatom; darunter baumeln wie zwei Beinchen die beiden Wasserstoffatome, weit voneinander abgespreizt. Da die Wasserstoff-Atomkerne deutlich kleiner sind als der Kern des Sauerstoffs, haben sie allerdings ein Problem: Sie können das negativ geladene Elektron in ihrer Hülle nur schwer an sich binden. Dieser Defekt hat weitreichende Folgen: Die Elektronen werden zum Oberkörper hingezogen. Durch die fehlenden Elektronen sind die beiden Beine unweigerlich positiv geladen. Die zum Oberkörper gewanderten Elektronen bilden zwei negativ geladene, ungemein muskulöse »Arme«. Diese greifen kraftvoll nach den Knöcheln der anderen umherschwirrenden Wassermoleküle (der Chemiker nennt das Wasserstoffbrückenbindung). Sie verketten sich und halten so stark zusammen, dass Wasser – allen Erwartungen zum Trotz – bei Raumtemperatur flüssig bleibt.

2. Schwimmhilfe

Je kälter, desto dichter: Die physikalische Faustformel, die das Schrumpfen eines Stoffes mit abnehmender Temperatur beschreibt, gilt für so gut wie alle Flüssigkeiten. Nicht jedoch für Wasser. Das feuchte Element erreicht bei exakt 3,984 Grad Celsius seine größte Dichte. Wird es erwärmt, dehnt es sich aus. Wird es weiter abgekühlt, dehnt es sich ebenfalls aus. Und wenn es bei null Grad Celsius zu Eis erstarrt, dehnt es sich noch viel mehr aus – im Gegensatz zu fast allen anderen Materialien, bei denen der Feststoff dichter und somit schwerer als die Flüssigkeit ist. Für die Natur und die Lebewesen ist dieses bizarre Verhalten überlebensnotwendig. Es sorgt hält die Nachbarmoleküle, die
von den weit ausgestreckten Gliedmaßen gepackt werden, auf größtmöglicher Distanz und sorgt für geringe Dichte. Wird es wärmer, tauen die Arme und Beine wieder auf, und die Wasserteilchen winkeln sich leicht an: Die starre Struktur kollabiert, der Abstand zwischen den Molekülen nimmt ab. Mit steigender Temperatur schüttelt das Wassermolekül seine Arme und Beine immer stärker aus, bis sich seine Einzelteile verflüchtigen.